Overfladebelægninger FMV Temadag, 1/11, 2007 Niels J. Mikkelsen. CemeCon Scandinavia A/S Lokesvej 5 DK-8230 Aabyhoej

Transkript

1 Overfladebelægninger FMV Temadag, 1/11, 2007 Niels J. Mikkelsen CemeCon Scandinavia A/S Lokesvej 5 DK-8230 Aabyhoej

2 CemeCon Scandinavia A/S CemeCon Scandinavia A/S blev etableret primo 2004 som et joint venture mellem danske investorer og CemeCon AG i Tyskland Personalet hos CemeCon Scandinavia har mere end 17 års erfaring med avanceret belægning af værktøjer og komponenter 2

3 CemeCon Scandinavia A/S Indenfor CemeCon gruppen er CemeCon Scandinavia ansvarlig for: - Service på det skandinaviske og nordtyske marked - De avancerede belægningsløsninger, specielt belægning af sprøjtestøbeværktøjer m.m. 3

4 CemeCon Coating Centers Worldwide CemeCon Scandinavia SA Aabyhoej, Denmark CemeCon Inc. Application Development Center New York, USA CemeCon AG Würselen, Germany CemeCon China Tianwei CemeCon Shuzhou Co. Ltd., Shuzhou 150 CemeCon coating systems in which over 600 individual CemeCon coating solutions are used currently operate worldwide. back 4

5 CemeCon globalt CemeCon er globalt præsenteret med: - CemeCon AG i Würselen (ved Aachen), Tyskland - CemeCon AG Service Center Süd, Stuttgart, D - CemeCon AG i Tjekkiet - CemeCon Inc. Horseheads, New York, USA - CemeCon China, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, Kina - CemeCon Scandinavia A/S, Åbyhøj (ved Århus), Danmark - Hundreder af PVD maskiner solgt world-wide 5

6 Europas største belægningscenter TINALOX SN ALOX SN HYPERLOX CC Aluspeed CCplusC CCplusD CemeCon supplies almost any PVD coating currently available on the market, and thereby continually exceeds the limits of what is possible. One of the most recent breakthroughs are the new top-performance coatings the Supernitrides. back 6

7 De avancerede overfladebehandlinger Ex.: Ion implantation PVD 7

8 Kort om PVD CemeCon Scandinavia A/S Aabyhoej 8

9 PVD (Physical Vapour Deposition) PVD hovedtyper: TiALN TiCN CrN DLC (TiN) Enkeltlagsbelægninger gninger Multilagsbelænginer Nanokompositter Lavtemperturbehandling 9

10 PVD processen Magnetron Sputtering Vakuumbaseret Plasmaproces (rf/pulsed i ionætsefasen og DC/pulsed i belægningsfasen) Sputtering fra (Ti/Al/Cr/C) metalkatoder Reaktive og inaktive gasser (N 2, Ar, Kr, organiske) Geometri - emnemanipulering Deponeringsrate i størrelsesorden 1 µm i timen i deponeringsfasen. Hele processen omfatter dog mere end selve deponeringsfasen 10

11 Forskellig opbygning. Tykkelse i alt 3 µm. Enkeltlag Multilag 11

12 Funktionally Gradient Coating Nanolag Nanokomposit 12

13 Typiske egenskaber af PVD belægninger Typiske egenskaber af tribologiske PVD belægninger Hårdheder: HV Friktionskoefficienter: (under ) Tykkelser: ca 3 µm (op til ca 40 µm) PVD procestemperaturer: ºC Anvendelsestemperaturer: ºC Slidbeskyttende Korrosionsbeskyttende Rivningsbeskyttende 13

14 Nogle PVD belægningstyper TiAlN (Titan-Aluminium-Nitrid) TINALOX SN 2 Blåsort, 1000ºC, 3600 HV TiCN (Titan-Carbo-Nitrid) TICANOX Rødbrun, 600ºC, 3000 HV CrN (Crom-Nitrid) CC CrN Lys metal, 700ºC, 1800 HV DLC (Diamond Like Carbon) CC DLC Sort, 500 C, 2800 HV [TiN (Titan-Nitrid) SUPERTIN ] Gylden, 600ºC, 2300 HV 14

15 Ionimplantering Legering af overfladen Ikke en belægning. Oplegering, typisk 0,3 µm ind i stålet. < 180 C. Sigtelinieproces Kvælstof i stålet forstærker stålet og gør det mere passivt Krom oplegerer stålet med op til 40 % Krom i overfladen, hvilket forbedrer korrosionsbestandigheden. 15

16 Nogle ionimplanteringstyper N-ionimplantering (Kvælstof-ionimplantering) CCMold N Usynlig, hærder stålet i 0.3 µm dybde, giver færre rivninger. Cr-ionimplantering (Krom-ionimplantering) CCMold CRO Rødbrun nuancer, oplegerer stålet i 0.3 µm dybde med 40% Cr. Beskytter mod korrosion. 16

17 Ægte diamant belægning ved CVD metoden Udføres med hot filament CVD metoden 17

18 Ægte diamant Diamantbelægninger Sp 3 polykrystallinsk Grov Glat Multilag Diamantbelægninger kan i dag struktureres ligesom PVD belægninger 18

19 Tribologiske problemer Abrasivt slid Adhæsivt slid, rivninger Friktion Påklæbning, aflejringer, afformningsproblemer Korrosion Fretting 19

20 Tilpasning Belægning tilpasset den specifikke formdel, funktion og det tribologiske miljø kan forbedre egenskaberne dramatisk => Optimalt tilpassede løsninger Geometry Geometry Substrate Standard- Coating Substrate Optimized Coating Sampil mellem: Konstruktion, materialevalg, hærdning, bearbejdning og belægning =>100% Performance 20

21 Innovative belægninger nye egenskaber Man kan også vende billedet om: Vi ønsker en ny funktionalitet. En ny konstruktionsmulighed eller et nyt produktdesign Belægning kan anvendes pro-aktivt og åbner op for helt nye muligheder 21

22 Belægning det forskellige markedssegmenter Plastværktøjer Metalforgivning Maskindele/komponenter Skærende værktøjer 22

23 CemeCon Scandinavia A/S, Lokesvej 5, 8230 Åbyhøj Overfladebehandlinger til plastformværktøjer Belægning Anvendelse Farve Tykkelse CCMold TINALOX (TiAlN) CCMold CrN (CrN) CCMold DLC (DLC) CCMold N Ekstrem slidstærk hård belægning. Til værktøjsmaterialer med hårdhed over 60 HRC. Til værktøjsdele udsat for kraftigt slid og rivninger. Til temperaturfølsomme værktøjsmaterialer. Til slip af en række plasttyper µm Hårdhed HV Behandlingstemp. ºC Max. anvendelsestemp. ºC Blåsort ,3 Friktionskoefficient tør mod stål Til slidbeskyttelse af relativt bløde værktøjsmaterialer under 60 HRC. Til temperaturfølsomme værktøjsmaterialer. Til belægning af kobber- og aluminiumlegeringer. Mod rivninger, aflejringer og til slip af en række plasttyper. Kan laves i tykke lag med specificeret lagtykkelse Sølvgrå , ,5 Tørsmørende hård belægning. Mod adhæsivt slid og rivninger. Til glidende Sort ,1 og bevægelige dele som ikke må smøres med olie/fedt, f.eks. udstødere, styr, kulisser. Anvendes i stor udstrækning til værktøjer der kører produktion i medicinal- og fødevareindustrien Slidreducerende overfladebehandling specielt egnet til indløb Usynlig 0,3 * - < ,5 (N- ionimplantering) CCMold CRO (Cr-ionimplantering) CCMold NCrN Til korrosionsbeskyttelse især ved luftafgange. Fuldstændig målfast Blåbrun 0,2 * - < ,5 Specielt til slip af en række plasttyper Sølvgrå , ,5 (CrN + N- ionimplantering) * Ikke belægning. Indtrængningsdybde er vist 23

24 CemeCon Scandinavia A/S, Lokesvej 5, 8230 Åbyhøj Overfladebehandlinger til formgivning og stansning af metal Belægning Anvendelse Farve Tykkelse CCForm TINALOX SN 2 (TiAlN) CCForm TICANOX Supernitrid. Ekstrem slidstærk og varmebestandig nanokompositbelægning. Til meget slidende materialer og varmformgivning µm Hård -hed HV Behandlingstemp. ºC Max. anvendelsestemp. ºC Blåsort ,3 Friktionskoefficient tør mod stål Til stansning og formgivning af stål og især rustfrit stål Rødbrun ,3 (TiCN) CCForm CrN (CrN) CCForm DLC (DLC) CCForm N (N-ionimplantering) Mod klæbende materialer som f.eks. kobber- og aluminiumlegeringer, anvendes også til relativt bløde værktøjsmaterialer under 60 HRC Tørsmørende og slidstærk belægning. Specielt til formning af klæbende materialer Slidreducerende overfladebehandling til f.eks. præcisionsstanseværktøjer og meget skarpe værktøjer til meget tynde plader Sølvgrå , ,5 Sort ,1 Usynlig 0,3 * - < ,5 * Ikke belægning. Indtrængningsdybde er vist 24

25 CemeCon Scandinavia A/S, Lokesvej 5, 8230 Åbyhøj Overfladebehandlinger af komponenter, maskin- og sliddele Belægning Anvendelse Farve Tykkelse CCCom DLC (DLC) CCCom TINALOX Tørsmørende belægning mod adhæsivt slid og rivninger. Til alle former for glidende maskinelementer og sliddele. Kan i mange tilfælde overflødiggøre smøring. Korrosionsbeskyttende, rengøringsvenlig. Friktionskoefficient µm Hårdhed HV Behandlingstemp. ºC Max. anvendelsestemp. ºC Sort ,1 Hård slidbelægning til temperaturfølsomme dele med hårdhed over 60 HRC Blåsort ,3 (TiAlN) CCCom CrN (CrN) Til slid- og rivningsbeskyttelse af relativt bløde dele under 60 HRC, f.eks. rustfrit stål. God til vanddyser, hindre kalkaflejringer. God korrosionsbeskyttelse, rengøringsvenlig. Sølvgrå , ,5 * Ikke belægning. Indtrængningsdybde er vist 25

26 CemeCon Scandinavia A/S, Lokesvej 5, 8230 Åbyhøj Overfladebehandlinger til spåntagende bearbejdning Belægning Anvendelse Farve Tykkelse µm CC TINALOX SN 2 (TiAlN) CC TICANOX Supernitrid. Nanokompositbelægning med ekstrem slidstyrke. Til meget slidende materialer f.eks. hærdet stål Hårdhed HV Behand lingstemp. ºC Max. anvendelsestemp. ºC Friktionskoefficient Blåsort ,3 Især til rustfrit stål Rødbrun ,3 (TiCN) CC CrN (CrN) CCDia (Diamant) CC N (N-ionimplantering) Til bearbejdning af bløde metaller som kobber- og aluminiumlegeringer Til hårdmetalværktøjer med lavt koboltindhold. CCDia 08 og CCDia HiCo til bearbejdning af grafit og råmaterialer til sintergods. CCDia Fiberspeed til fibermaterialer og kompositter. CCDia Tiger til AlSi-legeringer, kompositter med mineralstoffer Slidreduktion af meget skarpe skær, f.eks. til bearbejdning af fødevarer Sølvgrå ,5 Grå ,1 Usynlig 0,3 * - < ,5 * Ikke belægning. Indtrængningsdybde er vist 26

27 Sprøjtestøbning Forskellige vedligeholdelsesproblemer Kaviteter og kerner slides på grund af hårde partikler i plasten (farve- og glaspartikler) Glidende dele (udstødere, kerner, normdele, m.m.) ødelægges af friktion og rivninger Lukkeflader udsættes for fretting Friktionsproblemer på grund af begrænset smøring Slipproblemer forøger cyklus-tider Korrosion af alle værktøjsdele fra korrosive gasser fra plasten og/eller vand/fugt Source: Wolf Werkzeugtechnologie GmbH 27

28 CCMold en vigtig del af løsningen/optimeringenl CCMold CrN CCMold DLC CCMold CRO Tykke CrN CCMold TINALOX CCMold NCrN CCMold N 28

29 Kerner, centrerenheder, afriverringe, kaviteter m.m. Den generelle beskyttelse af overfladen CCMold CrN forhindrer ødelæggende rivninger, slid og korrosion Dermed kan overfladeteksturen beskyttes og give længere standtid og bedre produktkvalitet Også polerede og gnistede overflader kan belægges Typiske standtidsforbedringer for de belagte dele: 3 10 gange. 29

30 Kerner, centrerenheder, afriverringe, kaviteter m.m. Tilsmudsning og slipproblemer Også tilsmudsnings- og slipproblemer kan løses med PVD belægninger. CCMold CrN, CCMold NCrN, CCMold TINALOX. Udføres med Topfinish Giver bedre produktkvalitet, kortere cyklustid og færre produktionsomkostninger 30

31 Kerner, afriverringe m.m. Korrosion/brændinger i luftafgange På luftafgange på lukkeflader, hvor der er brændinger er CCMold CRO (ionimplantering med krom (Cr)) særdeles effektiv. Giver 40% Cr i overfladen af værktøjsstålet Her kan der også typisk opnås 3 10 gange standtidsforbedring af de behandlede dele. 31

32 Lavfriktion og tørsmøring CCMold DLC (Diamond( like coating). FGC multilag CrN/CrCN/C/a-C:HC:H Tør µ= (stål/stål =0.8) Selvsmørende Hårdhed 2800 HV Procestemperatur 170 C 32

33 Lavfriktion og tørsmøring Anvendelsen af DLC belægninger er i stærk vækst Der er i første omgang tale om en mindre revolution inden for produktionsteknologien: Man kan i mange områder producere tørt uden brug af smøremidler. Mindre brug af smøremidler = mindre rengøring og vedligehold Breder sig fra medicobranchen, renrumsproduktion. Renere og pænere produkter 33

34 Produktionsværktøjer der kører smørefrit Normdele, udstødere, søjler, bøsninger, kulisser, kerner og andre glidende dele CCMold DLC er udviklet til at understøtte smørefrie værktøjer. Belægningen giver mulighed for reducering af vedligehold samt mindre slid på værktøjet. 34

35 Præcisionsbelægning - mål/tolerancer Reparations- og designerbelægninger Komponenter og værktøjer med tolerancer på µm. Multilag af PVD CrN påføres selektivt µm tyk multilags CrN med ca 5 % nøjagtighed 35

36 Præcisionsbelægning - mål/tolerancer Tynde belægninger For meget små tolerancer anvender mange kunder 1 µm tynde CrN coatings. 36

37 Præcisionsbelægning - mål/tolerancer Anvendelser Inden for værktøjsfremstillling: Reparation af nedslidte og renoverede værktøjer Bedre og billigere fremstilling af værktøjer med µm tolerancer. Ofte værktøjsdesign der er svær at udføre på andre måder Nye produkter nye designs - nye krævende plastmaterialer inden for sprøjtestøbningsindustrien nye tolerancekrav til værktøjerne. Designerbelægninger bidrager til denne udvikling. 37

38 Varmeledende messing, aluminium- og kobberdele Varmeledningen af dele lavet af messing, aluminiumog kobberlegeringer er meget god, og værktøjsdelene er billigere at bearbejdet sammenlignet med ståldele Men delene er relativt bløde og udsat for slid. CCMold CrN belægningen tilføjer ekstrem slidbeskyttelse til disse dele Bedre varmeledning => nye værktøjsdesigns er mulige => Hurtigere værktøjskøling- hurtigere cyclustider. Alternativt er nye produktdesigns således også mulige! 38

39 Prototype værktøjer Rapid-tooling Billige/hurtige prototypeværktøjer i f.eks. aluminium CrN belægning efter prøvekørslerne => egentlig produktion i medium serier Rapid tooling teknologier ved f.eks. lasersintring af metal/stål => Belægningsteknolgien kan nu håndtere flere af disse materialer => Mulighed for hurtig PC- kontorfremstilling af holdbare produktionsværktøjer=> en kommende revolution inden for produktion/værktøjsfremstilling?? 39

40 Pladeformgivning og Pulverpresning Ofte meget store krav både til belægningens og substratets hårdhed Der er typisk tale om anvendelser af CCForm TINALOX og CCForm TICANOX 40

41 Metal forming tools Ø6 mm holes in 6 mm stainless steel uncoated TICANOX Punching increased lifetime increased punching speed mineral oil lubrication exchanged for 2% water based emulsion, no necessity to clean the products 41

42 Pulver presning Belagte pulverpresseværktøjer emner uden belægning emner med belægning Nogle produkter kan slet ikke køre uden at værktøjerne er belagte 42

43 DLC på motordele Highly loaded parts of the Diesel Injection Life-time increased by factor 20 running performance [%] Wear mechanism: adherence Counter body: steel Component material: steel 0 competition DLC

44 Dele til maskiner, pumper og motorer DLC teknologien breder sig fra værktøjsteknologien: Maskindele: Hvor der kan køres uden problemer, når smøremidlet ikke har optimale betingelser (opstart, lave hastigheder, nødsituationer m.m.): Udbreder sig nu både til maskiner tilknyttet produktionen Og f.eks. på motordele Erstatning af olier med f.eks. vand, alkohol m.m. Endnu et nicheområde Decideret funktion i helt tørt miljø uden brug af smøremidler: Stadig primært avancerede værktøjer/produktionsudstyr. 44

45 DLC anvendelser I hastig stigende udbredelse på bevægelig værktøjsdele Formel 1 biler m.m. men er nu også ude i familiebiler Pumper, gear og hydraulikdele m.m. er begyndt Brugen af slidstærke overflader der har indbygget tørsmøring kan på sigt revolutionere mange designs og teknologier! 45

46 Skærende værktøjer Bor og fræsere m.m. Gennem ca år det traditionelle belægningsmarked I Danmark: Nye værktøjer købes belagte Genopslibning og genbelægning Ofte ekstremt hårde og temperaturbestandige PVD belægninger. 46

47 TINALOX SN: Example Milling of tool steel 300% increase of tool life Tool life [pieces] Application material : tool steel (1.2365, 52 HRC) tool: cutting insert RDHX10, mill Ø = 30mm operation: milling (roughing) parameter: v c =235 m/min, f z =0,25 mm cooling: air 0 Competitor TiAlN TINALOX SN CemeCon coating solution performance criteria: tool wear TiAlN competitor: 1 part TINALOX SN: 4 parts 47

48 Hvad opnås med belægninger? Forøget standtid. Typisk 3 10 gange Hurtigere produktion Færre produktionsstop Bedre og mere stabil produktkvalitet. Nye muligheder mht processer og designs Mere automation reduktion af den nødvendige man-power Billigere og bedre produkter 48

49 Er det bare at belægge? Det optimale resultat kræver samspil i kæden: Design Konstruktion Stålleverandør Værktøjsmager Hærderi Polerer Overfladebehandler Hvis man fra starten har alle parter/teknologier inde i betragtning og i dialog bliver resultatet optimalt. Man kan desuden benytte flere elementer i kæden pro-aktivt i design konstruktion f.eks. indtænke mulighederne med belægninger i bestemte lagtykkelse eller belægning af varmeledende materialer Flere førende leverandører i kæden har i dag viden inden for de andre områder i kæden 49

50 Er det bare at belægge? Generelt: Belægning kan ikke redde en dårlig konstruktion! Belægning erstatter ikke et godt stål! Belægning erstatter ikke en hærdning! Der er tale om et sammenhæng, hvor alle dele løfter hinanden. (Dog kan belægning i visse situationer redde en ellers umulig situation) Belægningsleverandøren er sidste led i kæden. Sæt store krav til din belægningsleverandør! 50